光纖在線特邀編輯：邵宇豐，陳烙，陳福平，趙云杰
2017年5月出版的PTL主要刊登了以下一些方向的文章，包括：光纖傳感器、光調制與光信號處理、無源和有源光子器件、光網絡及其子系統(tǒng)、光信號傳輸等，筆者將逐一評析。
1. 光纖傳感器
基于雙馬赫曾德爾干涉儀（DMZI）的干涉型光纖傳感器能夠檢測和定位光纖上的擾動，它可以通過時延估計（TDE）技術實時獲取位置。由于其響應速度快，靈敏度高，被廣泛應用于周邊環(huán)境安全監(jiān)測，管道損壞檢測和海底電纜安全測試等領域。由于使用低雙折射單模光纖，DMZI傳感器會受到偏振相移（PIPS）和偏振衰落（PIF）的影響，干涉光束在環(huán)狀光纖傳輸時，PIF是由其偏振態(tài)（SOP）中的隨機波動引起的。為了獲得高定位精度，可以采用偏振補償方法來調整SOP。一種方法是通過偏振抖動進行偏振抑制相位補償，其目的是為了使兩個傳感光纖的相對偏振變換相同。一種方法是最小化或最大化強度，在這種方法中，通過調節(jié)偏振控制器（PC），使輸出信號的最大值和最小值之差的補償點與SOP相匹配。這兩種方法都具有改進程度不高和調整耗時較長的缺點。雖然已經開發(fā)了優(yōu)化搜索最佳補償點的算法，但PC仍然需要收集大量的數據樣本，也不能保證結果是否是全局最優(yōu)的。最近，來自天津大學精密儀器與光電工程學院的研究人員，提出了一種改進的偏振補償方法，以消除偏振引起的信號相移和衰落，并提高基于雙馬赫-曾德爾干涉儀的干涉型光纖傳感器的定位精度。在該方法中，通過使用兩個偏振控制器（PC）來同時補償SOP，以消除DMZI傳感器中的PIPS和PIF，并采用兩個偏振分束器（PBS）來監(jiān)視SOP，將獲得結果反饋給PC。最優(yōu)偏振調整的補償策略是基于極化狀態(tài)的有向補償（SOP），其具有PC干擾光快速調節(jié)和精細同步的優(yōu)點。實驗研究證明，定位誤差在±30m以內?；贒MZI傳感器結構如圖1所示。窄線寬激光輸出信號在耦合器C1處被均勻地分成兩路光束，分別通過循環(huán)器C2和C3，然后傳輸到由耦合器C4和C5形成的DMZI。 當兩個光束沿感測臂反向傳播時，在PC1，PC2和相位調制器（PM）共同作用下，并在耦合器干擾之前兩個光束保持平行輸出，最后通過耦合器C6和C7分別傳輸到PBS1和PBS2中。

 圖1 基于DMZI的分布式光纖傳感器及其偏振補償系統(tǒng)結構圖

2. 光調制與光信號處理
空間光束的近軸衍射與時域波形的色散在數學上是等價的（即時空二相性），該特點對高速光信號處理的發(fā)展起著重要推動作用，如使用較低帶寬檢測來表征快速光波的時域放大，光纖鏈路的線性和非線性失真補償，以及通過頻譜分析或電域格式轉換（即光時分復用到波分復用）來進行時域測量的快速光波形的時間-頻率映射。時域透鏡（TL）對輸入波形在時域上施加二次相位調制，其表示時域對應的空間薄透鏡，它是實施上述信號處理功能的主要元件。構建TL的一個簡單方法是采用正弦調制波形來驅動電光相位調制器，然而，通過電光裝置實現的相位調制數量和相關的頻率啁啾相對有限，從而影響了該方法的整體性能（例如時域分辨率）。另外，采用常見的非線性光學現象來構建TL，其顯著的特點是四波混頻（FWM）具有較長的啁啾光泵浦脈沖。不過，FWM在非線性介質中需要對色散進行精確的控制，并且還應在所要求頻率帶寬上確保嚴格的相位匹配條件。更重要的是，TL的關鍵參數（即頻率啁啾）在FWM方案中難以調諧，這是由于需要控制泵浦脈沖的頻率啁啾。相比之下，也可以通過XPM與拋物型泵浦脈沖構建TL，在該方法中，TL頻率啁啾與拋物型泵浦脈沖的峰值功率成正比，但該方法實施復雜度及成本都比較高。最近，來自加拿大國立科學研究院的研究人員，提出了一種全光可重構的時頻轉換（T-to-F）和光波的時域放大方案，該方案主要是基于交叉相位調制（XPM）誘導的時間透鏡結合群速色散的原理，其實驗結構圖如圖2所示。通過利用的峰值功率對時間透鏡啁啾的直接依賴性，可以容易地調整T-to-F轉化率和放大系數。 在概念驗證實驗中，使用光纖方案對T-to-F轉換和皮秒光波的時域放大進行了論證，其中通過控制光放大器，T-to-F轉化率和放大倍數均可以提高兩倍。

 圖2全光可重構XPM-TL信號處理系統(tǒng)的實驗結構圖
3. 無源和有源光子器件
雪崩光電二極管（APD）因為具有檢測和轉換微弱的光信號到電信號的能力，在各個領域得到很好的應用，如醫(yī)學影像學、天文學、量子密碼學，和光學遙感技術。此外，APD和相關電路的應用也相當關鍵。通常情況下，APD通常以兩種方式運行，稱為線性模式和蓋革模式。當APD偏置接近但低于擊穿電壓時，其工作在線性模式，否則在其他模式下。如果APD偏置有偏差，即使單光子吸收也能夠觸發(fā)一個自我維持的雪崩電流，它可以在數十個皮秒期內迅速上升到毫安電平，該情形下APD也稱為單光子雪崩二極管（SPAD）。為了描述和預測SPAD的特征，必須建立一個精確的SPICE模型。基本上，可以通過兩種方法建立SPAD模型，其中一種是采用等效電路，另一種是基于Verilog-A語言。在2007年有研究人員首先提出了APD的綜合SPICE模型，該模型可以模擬自我維持和自熄過程。在2009年有研究人員提出了上述的增強模式，其考慮了更多的物理效應，包括從二極管端子，正向和第二擊穿區(qū)域的電流積累的宏觀描述。然而，收斂的問題依然存在。有研究人員提出了一種基于Verilog-A模型，采用連續(xù)可微函數來克服收斂問題，由于連續(xù)可微函數來自分段線性函數，擬合精度相對較低。最近，來自南京東南大學的研究人員提出了一種改進的單光子雪崩二極管（SPADs）收斂模型方案，其中工作在不同反向偏置電壓下的SPAD的定性特性可由等效電路表示，利用Verilog-A語言來描述SPAD的電流-電壓（I-V）的定量特性，SPAD模型結構圖如圖3所示?；谏榛熸?nbsp;SPAD 探測器的橫截面如圖4所示，SPAD是具有內部光電流倍增的半導體檢測器，對于垂直結構，它與陰極，陽極和殼體端子接觸一起包含三個不同的層，其頂部是專門用于單光子檢測的30um光學有源區(qū)，波長范圍為0.92~1.67um。 吸收區(qū)域用于更有效地檢測和吸收光子。乘法區(qū)域用于通過施加極高的電場來加速雪崩過程。對于工作在不同模式下的檢測器，采用分段擬合方法來實現更高的擬合相干性。 所提出的模型可以模擬由于光子吸收的檢測器的點火，以及自維持和自熄過程。SPAD I-V測量數據的擬合精度達到99％。此外，該模型可以有效地應用到電子設計自動化工具，如Cadence的Spectre，支持電路和SPAD探測器之間的集成仿真。

 圖3 SPAD模型結構圖

圖4 基于砷化銦鎵 SPAD 探測器的橫截面 
量子級聯(lián)激光器（QCLs）是最有應用前景的中紅外激光源，因為它具有高性能和緊湊的尺寸，可以在不同領域中應用，如氣體檢測和自由空間光通信領域。分布式反饋（DFB）激光器也已被廣泛研究，在制作DFB QCLs的過程中，光柵置于脈沖噪聲防護（InP）包層的頂部或者下方，這種光柵又稱為表面光柵或掩埋光柵。 DFB QCLs的表面光柵經常受其內在弱耦合強度和表面等離子體損耗的影響，所以閾值電流密度和功耗都比較高。相反，掩埋光柵DFB QCLs可以在低閾值電流密度和低功耗下工作，這得益于它的強耦合和低光損耗。但是，空腔中的過耦合限制了激光模式，會導致輸出功率過低。因此，掩埋光柵DFB QCLs的腔長度不能過長，這會限制輸出功率。采樣光柵是一種可以解決過耦合問題的有效方案，除了增加腔長度外，擴大脊寬也可以提高QCLs的輸出功率。錐形QCLs可以獲得更大的有效脊寬，并可以保持基本橫向模式運行。在以前的研究中，有研究人員設計了實現小光束發(fā)散角的錐形QCLs。

    掩埋采樣光柵覆蓋在整個波導上，從4.65微米到4.89微米四種不同波長的單模DFB QCLs能夠被同時制造出來。小角錐形QCLs的擴大增益面積相當于QCLs14微米的脊寬度并且長度相同，因此輸出功率提高了約40％。為了使基本橫向模式操作可以獲得良好的光束質量，但對于脊寬度為14μm的設備是不可能實現的。最近，來自中國科學院的研究人員，通過組合小角度錐形結構埋置采樣光柵，能夠在室溫連續(xù)激光（CW） DFB QCLs實現從4.65μm至4.89μm的四種不同波長的輸出，其功率得到顯著的提高，在CW工作過程中邊模抑制比（SMSR）高于25 dB，單模工作可以實現超過130 mW的功率輸出，并可取得增益面積小于1.25，其結構圖如圖5所示。


 圖5 小角錐形QCLs的三維結構圖（a），波導參數（b），光學顯微鏡圖像的輸出面（c），覆蓋層的截面（d） 
由于許多潛在的應用領域，太赫茲光纖應用是一個重要在研究方向。太赫茲的頻率范圍0.1-10 THz之間，其應用范圍非常廣泛，如傳感器，生物技術，成像，光譜學，通信，天文，無創(chuàng)成像等，但是絕大多數介電材料在這個頻率范圍上表現出極高的傳輸損耗。此外，現在大多數的太赫茲系統(tǒng)仍然依賴于自由空間傳播。為了克服在實際光通信系統(tǒng)中與太赫茲技術相關的障礙，關于不同類型的光纖設計已被報道出來。干燥空氣是無損材料，但是如果介質波導由干燥空氣限定，則模場擴展到波導外部，并且可能導致高的彎曲損耗。在多孔光纖中使用圓形氣孔設計以降低損耗，并且在0.98THz至1.15THz的太赫茲傳輸中使用平坦的分散波導。與此同時，有研究人員研究了八邊形多孔光纖，設計的光纖有效材料損失（EML）是0.076 cm-1/ THz。在2014年報道的類似八邊形多空的結構，能夠進一步減少EML。在該報道中，使用商品名為TOPAS的環(huán)烯烴共聚物作為纖維材料，其核心孔率為61.76％，芯直徑為390μm，以獲得最佳設計性能。這種多孔芯纖維在1.0-1.8THz頻率范圍內只有0.056cm-1的超低吸收損失和接近零的平坦色散?；谙嗤腡OPAS材料，實現了旋轉的多孔芯六邊形纖維，其EML為0.066cm-1。隨后，通過利用結構的雙重不對稱性設計了高雙折射多孔芯光子晶體光纖(PCF），圓形孔洞降低了光纖制備難度。最近,來自阿德萊德大學的研究人員提出了一種新型的具有較低EML的光纖，該光纖由開槽的芯和開槽的包層組成的，其幾何結構如圖6所示。實驗結果表明，在高頻率的條件下該光纖具有非常低的色散和低損耗。


 圖6 EML光纖的幾何結構圖 
光網絡及其子系統(tǒng)

在無源光接入網絡（PON）中，由于對故障區(qū)域進行自動檢測定位能減少運營成本，縮短系統(tǒng)停機時間。為了克服光時域反射儀（OTDR）的局限，有研究提出基于光碼分復用（OCDM）技術的方案，在每個終端光纖的末端配置一個無源編碼器。在中心站（CO），需要網絡恢復算法來檢測接收信號的所有碼元。碼間干擾會導致錯誤的檢測結果，如果網絡恢復算法不能正確檢測所有獨立的碼元；當有故障發(fā)生時，就會增加相應的運營成本。每次的故障被檢測出來需要進行一次完全搜索，當存在大量的故障時，相應地就會導致過多的處理時間，從而增加平均停機時間。最近，來自阿根廷巴里洛切的研究人員在快速網絡恢復算法和低價檢測系統(tǒng)之間進行了研究，分析了在以編碼為基礎的PON檢測系統(tǒng)中得出錯誤檢測數量的解析式。如圖7所示是研究人員提出的檢測系統(tǒng)方案圖。實驗研究結果表明，研究人員推導出的關于錯誤檢測平均數的解析式在上述檢測系統(tǒng)中是有效的。


 圖7 無源光接入網路中的檢測系統(tǒng)方案圖 
開關鍵控（OOK）技術和PIN光電檢測器由于具有充足的頻譜和PIN光電檢測器低廉的價格，而被大規(guī)模應用于中短距離高速自由空間光（FSO）通信系統(tǒng)中，但是系統(tǒng)性能通常會受到許多噪音的嚴重影響，如背景光，散彈噪音和熱噪聲。糾錯編碼通常被用來提升FSO通信系統(tǒng)性能，其中低密度奇偶校驗碼（LDPC）被認為是最好的糾錯編碼，可以幾乎接近香農極限。最近，來自中國空間技術研究院的研究人員在使用OOK技術和PIN光電檢測器的FSO通信系統(tǒng)中，對LDPC進行了最優(yōu)化設計，通過不對稱的密度演化來處理符號獨立的噪聲分布，如圖8是結合四種不同搜索算法的最優(yōu)化方案圖，這四種搜索算法分別是差異進化算法（DE），差異算法（GA），粒子群算法(PSO)，模擬退火算法(SA)。度分布對隨機產生，分割成四部分，分別應用四個不同的搜索算法。密度演化被作為價值函數用來計算錯誤概率，四個算法并行運算升級。在確定了升級迭代次數之后，最好的度分布對（具有最好的誤碼率表現）被隨機插入四個不通算法部分。結果表明，研究人員提出的度分布對相比較三種傳統(tǒng)的LDPC相比較，表現良好，且優(yōu)化的方案對于二進制非對稱信道可以無限接近香農極限。


 圖8 應用四種不同搜索算法的最優(yōu)化方案圖 
光信號傳輸

光纖通信鏈路中光信號的傳輸性能通常會受到光纖非線性效應的影響，通過非線性補償可以減小非線性失真。在波分復用信道中由于鄰近信道的強度波動，存在著交叉相位調制（XPM）負面效應影響，寬帶非線性補償技術如總場數字反向傳播（TF-DBP）技術和光學相位共軛（OPC）技術被相繼提出。TF-DBP技術用來補償確定性信道損傷，包括XPM，雖然TF-DBP技術是非線性補償方式中非常有效的一項技術，但是其實現需要復雜的電子資源，而光學相位共軛（OPC）技術中產生相位共軛需要較高的泵功率。補償XPM的一項較為簡單方式是在波分復用信道的一條邊帶中用全部的功率來驅動相位調制器，該技術需要高帶寬光電檢測器，最近，來自澳大利亞莫納什大學的研究人員，通過實驗驗證了使用低帶寬光電器件來減小XPM，如圖9是該實驗系統(tǒng)方案圖，兩個線寬小于<100 kHz的可調諧外腔激光器來產生泵信號和探針信號。開關鍵控（OOK）泵信號的數據儲存在任意波形產生器（AWG）,然后驅動強度調制器，兩個獨立的比特序列通過專業(yè)軟件離線產生，通過上采樣來與AWG的符號率相匹配。為了能準確估計短距離信道的誤碼率表現，在QPSK信道上增加噪音來獲得9dB的光信噪比（OSNR）。結果表明，研究人員提出的基于低帶寬相位調制器的新型非線性補償技術可以有效地抑制XPM，提高了相鄰波分復用信道的誤碼率表現。

 圖9實驗系統(tǒng)方案圖 
隨著終端用戶對各種應用的需求不斷增長，如高清視頻、網絡電視和云計算業(yè)務等，數據中心面臨巨大的升級挑戰(zhàn)，短距離光學互聯(lián)在數據中心服務器之間顯示出了巨大的帶寬潛能，服務器之間可以共享處理和儲存的資源，但是關鍵問題是如何同時實現高容量傳輸和低價運營設備。目前，短距離光學互聯(lián)主要依賴于低價的垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）,多模光纖（MMF）和直接檢測技術。盡管高階調制格式可以在短距離光傳輸應用中增加比特速率，但是也具有更高的功率預算，因此非歸零（NRZ）信號是比較適宜的。使用帶寬限制的VCSEL，高速傳輸后的接收信號會受到嚴重的符號間干擾（ISI）,僅僅使用傳統(tǒng)的線性前饋均衡器（FEE）無法將信號恢復到可以正常通信的水平，隨著集成電路和高速數模轉換技術的發(fā)展，使得復雜均衡技術的應用成為現實。最大似然估計（MLSE）是基于維特比算法的一種技術，可以用來提升信道的性能。減少MLSE運算復雜性主要需要通過減少維特比算法中的軟判決時間，大多數經過接收FEE糾錯的數據硬判決正確，而軟判決的值卻是不相同的，這樣的傳統(tǒng)MLSE會帶來較高的計算復雜性，導致在接收端的數字信號處理（DSP）的代價較大,最近，來自北京大學先進光學通信系統(tǒng)網絡國家重點實驗室的研究人員提出了一種簡易的MLSE算法。結果表明，雖然使用了帶寬限制的VCSEL（3dB帶寬僅為18 GHz），該簡易MLSE算法可以使數據信號在56米MMF上實現傳輸，而且相比較傳統(tǒng)的MLSE算法，可以減少將近87.8%的運算復雜度。